实验十三激光束横模特性的观测

1、实验十三 激光束横模特性的观测一、 实验目的1 了解激光器的横向光场（横模）分布特性；2 了解激光器的横向光场（横模）的传输特性；3 了解CCD图象采集的工作原理。二、 实验原理1. 激光束的模式由光学谐振腔理论可以知道，光腔模式可以分解为纵模和横模。它们分别代表光腔模式的纵向（腔轴方向）和横向（垂直腔轴方向）光场分布。用符号TEMmn标志不同横模的光场分布。稳定腔的输出频率特性为： (方形镜) (圆形镜)其中： ，为腔参数；L为谐振腔的腔长；R1、R2为两个球面反射镜的曲率半径；m和n为横模序数（对于方形镜和圆形镜的定义不同）；q为纵模序数；为激光工作介质的折射率。激光不同的横模有不同的光强

2、分布，见图1。 图131 左图为方形镜一些低阶模式的光强图样；右图为圆形镜一些低阶模式的光强图样。对应不同的光斑图样，可用探测器直接测量光强的空间分布来分析横模结构。2激光束的发散角和衍射倍率因子激光的方向性是描述输出激光光束质量的重要指标。激光的空间相干性和它的方向性（用光束发散角衡量）是紧密相关的。激光方向性越好，它的空间相干性就越高。不同类型激光器的方向性相差很大，这与工作介质的类型和均匀性、光腔类型、腔长、激励方式以及激光器的工作状态有关。由激光原理可知，一般稳定球面腔都可以找到与其唯一对应的等价共焦腔。稳定腔的光场为高斯光束。高斯光束沿z轴是一个变曲率中心和曲率半径的球面波，其光束特

3、性如图132所示。在束腰和无穷远处的波阵面是平面,曲率半径无限大;在 (为共焦参量), 曲率半径有最小值;光斑尺寸W(z)随坐标z按双曲线规律变化:,其中z=0处的W(0)最小,称为束腰,记为W0;为共焦腔基模远场发散角(相应高阶横模的远场发散角(方镜)、(圆镜).该发散角(全角)定义为双曲线的两根渐近线之间的夹角(见图2).该角度的大小随不同的激光腔及腔参数而不同,用于描述激光束的方向性,越大则激光的方向性越差.目前国际上普遍将光束衍射倍率因子M2定义为:,其中, (方镜), (圆镜). 由以上论述可知,基模高斯光束具有最小的M2值(M2=1),其光腰半径和发散角也最小,达到衍射极限高阶、多

4、模高斯光束或其他非理想光束(如波前畸变)的M2值均大于1. M2值可以表征实际光束偏离衍射极限的程度,因此被称为衍射倍率因子. M2值越大,光束衍射发散越快。3. 线阵CCD的测量原理电荷耦合器件(CCD)是一种可以电扫描的光电二极管列阵,有“面阵”和“线阵”之分，二者都需用光学成像系统将景物图象成在CCD的象敏面上，象敏面将照在每一象敏元上的图象照度信号转变为少数载流子数密度信号存储于象敏单元(MOS电容势阱)中. 然后再转移到CCD的移位寄存器(转移电极下的势阱)中,在驱动脉冲的作用下顺序地移出器件,成为视频信号。LM601线阵CCD光强仪的结构图见图133 LM601线阵CCD的象敏元为

5、2592个, 象敏元尺寸11×11m.在对物体尺寸的测量中,采用高位数和小尺寸象敏元的线阵CCD,将获得很高的测量精度,见图134采用机械扫描方法,用线阵CCD也可以得到二维图象的视频信号. 三、实验装置1. 可调谐的外腔式多模激光器。2. 线阵CCD(型号:LM601)+数据采集卡+计算机。3. 精密调谐升降台。4. 激光反射镜4块。5. 中性滤光片(衰减片)若干。四、实验步骤 1.按以下光路图搭建实验装置: 反射镜M3和M4M1和M2CCDCCD不被饱和.计算机记录实时光强信号.2. 观测激光横模模式:将CCD置于位置2,调整激光束进入CCD,CCD升降到光斑的下(上)沿,开始逐步向上(向下)扫描整个光斑尺寸,每隔一定间隔记录一条水平方向的光强分布曲线(至少要有10条曲线),最后合成为该模式的三维光强分布图,见图136改变激光横模模式后,重复上述步骤进行测量(至少观测三种以上横模模式). 图1363. 测量远场发散角: 首先调整位置1和2之间的光程大于8米(4次往返),分别用CCD在位置1(z1)和位置2(z2)处测量出光斑半径W(z1)和W(z2),利用公式可以估算出该模式的远场发散角。4. 估算光束的衍射倍率因子M2:选择基模输出,用步骤3测出0